Радар

РЛС того типа, который используется для обнаружения самолетов. Он устойчиво вращается, охватывая воздушное пространство узким лучом.

Радар - это система обнаружения, которая использует радиоволны для определения дальности, угла или скорости объектов. Его можно использовать для обнаружения самолетов , кораблей , космических кораблей , управляемых ракет , автомобилей , погодных образований и местности . Система радара состоит из передатчика по производству электромагнитных волн в радио или микроволны области, передающая антенна , приемная антенна (часто та же антенна используется для передачи и приема) и в приемник ипроцессор для определения свойств объекта (ов). Радиоволны (импульсные или непрерывные) от передатчика отражаются от объекта и возвращаются к приемнику, предоставляя информацию о местоположении и скорости объекта.

Радар был тайно разработан для использования в военных целях несколькими странами в период до и во время Второй мировой войны . Ключевой разработкой стал резонаторный магнетрон в Соединенном Королевстве , который позволил создавать относительно небольшие системы с субметровым разрешением. Термин RADAR был введен в обращение ВМС США в 1940 году как аббревиатура от « RA dio D etection A nd R anging». ^{[1] [2]} Термин радар с тех пор вошел в английский и другие языки как нарицательное,потеря всех заглавных букв . Во время курсов RAF RADAR в 1954/5 в тренировочном лагере Yatesbury было предложено "радиоазимутальное направление и дальность". ^{[ необходима цитата ]} Современные виды использования радаров весьма разнообразны, включая управление воздушным и наземным движением, радиолокационную астрономию , системы противовоздушной обороны , противоракетные системы , морские радары для определения местоположения ориентиров и других кораблей, системы предотвращения столкновений самолетов, системы наблюдения за океаном , космическое пространство системы наблюдения и сближения , метеорологический мониторинг осадков, системы измерения высоты и управления полетом, системы локации управляемых ракет , беспилотные автомобили и георадар для геологических наблюдений. Высокотехнологичные радиолокационные системы связаны с цифровой обработкой сигналов , машинным обучением и способны извлекать полезную информацию при очень высоких уровнях шума .

Другие системы, подобные радару, используют другие части электромагнитного спектра . Одним из примеров является LIDAR , который использует преимущественно инфракрасный свет от лазеров, а не радиоволн. Ожидается, что с появлением беспилотных транспортных средств радар поможет автоматизированной платформе отслеживать окружающую среду, предотвращая тем самым нежелательные инциденты. ^[3]

История [ править ]

Первые эксперименты [ править ]

Еще в 1886 году немецкий физик Генрих Герц показал, что радиоволны могут отражаться от твердых объектов. В 1895 году преподаватель физики Императорского русского военно-морского училища в Кронштадте Александр Попов разработал прибор, использующий когерерную трубку, для обнаружения далеких ударов молнии. В следующем году он добавил передатчик искрового разрядника . В 1897 году, тестируя это оборудование для связи между двумя кораблями в Балтийском море , он обратил внимание на помехи.вызвано проходом третьего судна. В своем отчете Попов написал, что это явление можно использовать для обнаружения объектов, но он больше ничего не делал с этим наблюдением. ^[4]

Немецкий изобретатель Кристиан Хюльсмайер первым применил радиоволны для обнаружения «далеких металлических объектов». В 1904 году он продемонстрировал возможность обнаружения корабля в густом тумане, но не на его расстоянии от передатчика. ^[5] Он получил патент ^[6] на свое устройство обнаружения в апреле 1904 года, а затем патент ^[7] на соответствующую поправку для оценки расстояния до корабля. 23 сентября 1904 г. он также получил британский патент ^{[8] [ мертвое звено ]} на полную радиолокационную систему, которую он назвал телемобилоскопом.. Он работал на длине волны 50 см, а импульсный радиолокационный сигнал создавался через искровой разрядник. Его система уже использовала классическую установку антенны рупорной антенны с параболическим отражателем и была представлена немецкими военными чиновниками в ходе практических испытаний в Кельне и Роттердаме гавань , но был отвергнут. ^[9]

В 1915 году Роберт Уотсон-Ватт использовал радиотехнологию для заблаговременного предупреждения летчиков ^[10], а в течение 1920-х годов возглавил исследовательский центр Великобритании, добившись многих успехов в использовании радиотехники, включая зондирование ионосферы и обнаружение молний. на большие расстояния. Благодаря своим экспериментам с молниями Уотсон-Ватт стал экспертом в области радиопеленгации, прежде чем обратился к коротковолновой передаче. Потребовав подходящий приемник для таких исследований, он сказал «новичку» Арнольду Фредерику Уилкинсу провести обширный обзор доступных коротковолновых устройств. Уилкинс выбрал бы почтовое отделениемодель после того, как отметила описание в ее руководстве эффекта "затухания" (общий термин для обозначения помех в то время), когда самолет пролетал над головой.

На другом берегу Атлантики в 1922 году, после размещения передатчика и приемника на противоположных берегах реки Потомак , исследователи ВМС США А. Хойт Тейлор и Лео К. Янг обнаружили, что корабли, проходящие по пути луча, вызывают постепенное исчезновение и усиление принимаемого сигнала. Тейлор представил отчет, в котором предполагалось, что это явление можно использовать для обнаружения кораблей в условиях плохой видимости, но ВМС не стали немедленно продолжать работу. Восемь лет спустя Лоуренс А. Хайленд из Военно-морской исследовательской лаборатории (NRL) наблюдал аналогичные эффекты затухания от пролетающих самолетов; это открытие привело к подаче заявки на патент ^[11]а также предложение о проведении дальнейших интенсивных исследований радиоэхо-сигналов от движущихся целей в NRL, где в то время базировались Тейлор и Янг. ^[12]

Незадолго до Второй мировой войны [ править ]

Перед Второй мировой войной исследователи из Великобритании , Франции , Германии , Италии , Японии , Нидерландов , Советского Союза и США независимо и в большой секретности разработали технологии, которые привели к созданию современной версии радара. Австралия , Канада , Новая Зеландия и Южная Африка следовали довоенным разработкам радаров в Великобритании, а Венгрия создала свои радарные технологии во время войны. ^[13]

Во Франции в 1934 году после систематических исследований магнетрона с расщепленным анодом исследовательское отделение Compagnie Générale de Télégraphie Sans Fil (CSF), возглавляемое Морисом Понте с Анри Гуттоном, Сильвеном Берлином и М. Хьюгоном, начало разработку системы обнаружения препятствий. радиоаппаратура, элементы которой были установлены на океанском лайнере Normandie в 1935 году. ^{[14] [15]}

В тот же период советский военный инженер П.К. Ощепков в сотрудничестве с Ленинградским электрофизическим институтом создал экспериментальный прибор RAPID, способный обнаруживать самолет в пределах 3 км от приемника. ^[16] Советы произвели свои первые серийные радары РУС-1 и РУС-2 Редут в 1939 году, но дальнейшее развитие было замедлено после ареста Ощепкова и его последующего заключения в ГУЛАГ . Всего за время войны было произведено всего 607 станций Redut. Первый российский бортовой радар " Гнейс-2" был принят на вооружение в июне 1943 года на пикирующих бомбардировщиках Пе-2 . К концу 1944 г. было произведено более 230 станций «Гнейс-2» ^[17].Однако французские и советские системы работали в непрерывном режиме, что не обеспечивало полной производительности, в конечном счете синонимичной с современными радиолокационными системами.

Полный радар развился как импульсная система, и первый такой элементарный аппарат был продемонстрирован в декабре 1934 года американцем Робертом М. Пейджем , работавшим в Военно-морской исследовательской лаборатории . ^[18] В следующем году армия Соединенных Штатов успешно испытала примитивный радар класса «земля-поверхность» для наведения прожекторов береговой батареи в ночное время. ^[19] За этим проектом последовала импульсная система, продемонстрированная в мае 1935 года Рудольфом Кюнхольдом и фирмой GEMA  [ de ] в Германии, а затем еще одна в июне 1935 года группой Министерства авиации под руководством Роберта Уотсон-Ватта. в Великобритании.

В 1935 году Уотсон-Ватт попросили оценить последние сообщения о немецком радиоактивном луче смерти и передали запрос Уилкинсу. Уилкинс вернул набор расчетов, демонстрирующих, что система в принципе невозможна. Когда затем Watson-Watt спросил, что может делать такая система, Уилкинс вспомнил предыдущий отчет о самолетах, вызывающих радиопомехи. Это открытие привело к эксперименту в Давентри 26 февраля 1935 года с использованием мощного коротковолнового передатчика BBC в качестве источника и установки их приемника GPO в поле, в то время как бомбардировщик пролетал над местом. Когда самолет был четко обнаружен, Хью Даудинг , член экипажа по снабжению и исследованиямбыла очень впечатлена потенциалом их системы, и средства были немедленно предоставлены для дальнейшего развития. ^[20] Группа Уотсон-Ватт запатентовала устройство в GB593017. ^{[21] [22] [23]}

1 сентября 1936 года разработка радара значительно расширилась, когда Уотсон-Ватт стал суперинтендантом нового учреждения при Министерстве авиации Великобритании , исследовательской станции Боудси , расположенной в поместье Боудси , недалеко от Феликстоу, Саффолк. Работа там привела к разработке и установке станций обнаружения и слежения за самолетами под названием « Цепной дом » вдоль восточного и южного берегов Англии как раз к началу Второй мировой войны в 1939 году. Эта система предоставила важную предварительную информацию, которая помогла Королевской ВВС победили в битве за Британию; без него значительное количество истребителей, которых у Великобритании не было, всегда должны были бы находиться в воздухе для быстрого реагирования. Если бы обнаружение вражеских самолетов полагалось исключительно на наблюдения за наземными людьми, Великобритания могла бы проиграть Битву за Британию. Также жизненно важна была « система Dowding » отчетности и координации, чтобы обеспечить наилучшее использование радиолокационной информации во время испытаний раннего развертывания радиолокаторов в 1936 и 1937 годах.

Получив все необходимое финансирование и поддержку в разработке, в 1935 году группа произвела работающие радиолокационные системы и начала развертывание. К 1936 году первые пять систем Chain Home (CH) были в рабочем состоянии и к 1940 году распространились по всей Великобритании, включая Северную Ирландию. Даже по стандартам того времени CH был грубым; вместо того, чтобы передавать и принимать от направленной антенны, CH транслировал сигнал, освещающий всю территорию перед собой, а затем использовал один из собственных радиопеленгаторов Watson-Watt для определения направления отраженных эхо-сигналов. Этот факт означал, что передатчики CH должны были быть намного более мощными и иметь лучшие антенны, чем конкурирующие системы, но позволяли их быстрое внедрение с использованием существующих технологий.

Во время Второй мировой войны [ править ]

Ключевой разработкой стал магнетрон с резонатором в Великобритании, который позволил создавать относительно небольшие системы с субметровым разрешением. Британия поделилась технологией с США во время миссии Тизард 1940 года . ^{[24] [25]}

В апреле 1940 г. Popular Science продемонстрировал пример радиолокационной станции, использующей патент Watson-Watt в статье о противовоздушной обороне. ^[26] Кроме того, в конце 1941 г. в « Популярной механике» была статья, в которой американский ученый размышлял о британской системе раннего предупреждения на восточном побережье Англии и вплотную подошел к тому, что это такое и как работает. ^[27] Watson-Watt был отправлен в США в 1941 году для консультирования по вопросам противовоздушной обороны после нападения Японии на Перл-Харбор . ^[28] Альфред Ли Лумис организовал секретную MIT Радиационной лаборатории в Массачусетском технологическом институте, Кембридж, Массачусетс, где в 1941–45 годах была разработана микроволновая радиолокационная технология. Позже, в 1943 году, Пейдж значительно усовершенствовал радар с помощью моноимпульсной техники, которая много лет использовалась в большинстве радиолокационных приложений. ^[29]

Война ускорила исследования по поиску лучшего разрешения, большей мобильности и большего количества функций для радара, включая дополнительные навигационные системы, такие как Oboe, используемые Pathfinder ВВС Великобритании .

Приложения [ править ]

Информация, предоставляемая радаром, включает в себя пеленг и дальность (и, следовательно, положение) объекта от сканера радара. Таким образом, он используется во многих различных областях, где потребность в таком позиционировании имеет решающее значение. Первое применение РЛС было в военных целях: для обнаружения воздушных, наземных и морских целей. В гражданской сфере это превратилось в приложения для самолетов, кораблей и автомобилей. ^{[30] [31] [ необходима цитата ]}

В авиации самолет может быть оснащен радиолокационными устройствами, которые предупреждают о самолетах или других препятствиях на их пути или приближении, отображают информацию о погоде и дают точные показания высоты. Первым коммерческим устройством, установленным на самолетах, была установка Bell Lab 1938 года на некоторых самолетах United Air Lines . ^[27] Самолет может приземлиться в тумане в аэропортах, оборудованных радиолокационными наземными системами захода на посадку , в которых положение самолета отслеживается на радаре точного захода на посадку.экраны операторами, которые тем самым передают пилоту инструкции по радиопосадке, поддерживая самолет на определенной траектории захода на посадку к взлетно-посадочной полосе. Военные истребители обычно оснащаются радиолокаторами наведения «воздух-воздух» для обнаружения и наведения на цель вражеских самолетов. Кроме того, более крупные специализированные военные самолеты оснащены мощными бортовыми радиолокаторами для наблюдения за воздушным движением над обширным регионом и направления истребителей на цели. ^[32]

Морские радары используются для измерения пеленга и расстояния судов для предотвращения столкновения с другими судами, для навигации и для определения их положения в море, когда они находятся в пределах досягаемости берега или других фиксированных ориентиров, таких как острова, буи и маяки. В порту или в гавани радиолокационные системы службы движения судов используются для отслеживания и регулирования движения судов в оживленных водах. ^[33]

Метеорологи используют радар для наблюдения за осадками и ветром. Он стал основным инструментом для краткосрочного прогнозирования погоды и наблюдения за суровыми погодными условиями, такими как грозы , торнадо , зимние штормы , типы осадков и т. Д. Геологи используют специальные георадары для картирования состава земной коры . Полиция использует радары для отслеживания скорости транспортных средств на дорогах. Радиолокационные системы меньшего размера используются для обнаружения движения человека . Примеры: определение паттернов дыхания для мониторинга сна ^[34]и обнаружение жестов рук и пальцев для взаимодействия с компьютером. ^[35] Автоматическое открывание двери, включение света и обнаружение вторжения также широко распространены.

Радиолокационная технология недавно использовалась для контроля показателей жизнедеятельности и деятельности человека. ^[36] Сердцебиение и частота дыхания оцениваются путем измерения движений человеческого тела, вызванных выбросом крови в магистральные сосуды, а также вдохом и выдохом воздуха в легкие и из легких с помощью радара. Человеческая деятельность обнаруживается путем классификации схем отражения радара с использованием алгоритмов машинного обучения.

Принципы [ править ]

Сигнал радара [ править ]

В радиолокационной системе есть передатчик, который излучает радиоволны, известные как радиолокационные сигналы, в заранее определенных направлениях. Когда эти сигналы контактируют с объектом, они обычно отражаются или рассеиваются во многих направлениях, хотя некоторые из них будут поглощаться и проникать в цель. Сигналы радара особенно хорошо отражаются материалами со значительной электропроводностью, такими как большинство металлов, морская вода и влажная земля. Это делает возможным использование радиолокационных высотомеров в определенных случаях. Радиолокационные сигналы, которые отражаются обратно к приемнику радара, являются желательными, которые заставляют работать радарное обнаружение. Если объектпри движении к передатчику или от него произойдет небольшое изменение частоты радиоволн из-за эффекта Доплера .

Приемники радара обычно, но не всегда, находятся в том же месте, что и передатчик. Отраженные радиолокационные сигналы, захваченные приемной антенной, обычно очень слабые. Их можно усилить электронными усилителями . Также используются более сложные методы обработки сигналов , чтобы восстановить полезные радиолокационные сигналы.

Слабое поглощение радиоволн средой, через которую они проходят, - это то, что позволяет радарам обнаруживать объекты на относительно больших расстояниях - диапазонах, в которых другие длины электромагнитных волн, такие как видимый свет , инфракрасный свет и ультрафиолетовый свет , слишком сильно ослабляются. Погодные явления, такие как туман, облака, дождь, падающий снег и мокрый снег, которые блокируют видимый свет, обычно прозрачны для радиоволн. Определенные радиочастоты, которые поглощаются или рассеиваются водяным паром, каплями дождя или атмосферными газами (особенно кислородом), избегаются при разработке радаров, за исключением случаев, когда предполагается их обнаружение.

Освещение [ править ]

Радар полагается на свои собственные передачи, а не на свет от Солнца или Луны или от электромагнитных волн, излучаемых самими целевыми объектами, таких как инфракрасное излучение (тепло). Этот процесс направления искусственных радиоволн на объекты называется освещением , хотя радиоволны невидимы для человеческого глаза, а также для оптических камер.

Отражение [ править ]

Если электромагнитные волны, проходящие через один материал, встречаются с другим материалом, имеющим диэлектрическую проницаемость или диамагнитную постоянную, отличную от первой, волны будут отражаться или рассеиваться от границы между материалами. Это означает, что твердый объект в воздухе или в вакууме или значительное изменение атомной плотности между объектом и тем, что его окружает, обычно будет рассеивать радиолокационные (радио) волны от своей поверхности. Это особенно верно для электропроводящих материалов, таких как металл и углеродное волокно, что делает радар хорошо подходящим для обнаружения самолетов и кораблей. Радиопоглощающий материал , содержащий резистивныеа иногда и магнитные вещества, используются на военных транспортных средствах для уменьшения отражения радаров . Это радиоэквивалент окрашивания чего-либо в темный цвет, чтобы его не было видно ночью.

Радиолокационные волны рассеиваются по-разному в зависимости от размера (длины волны) радиоволны и формы цели. Если длина волны намного короче размера цели, волна будет отражаться так же, как свет отражается в зеркале . Если длина волны намного больше, чем размер цели, цель может быть не видна из-за плохого отражения. Технология низкочастотных радаров зависит от резонансов для обнаружения, но не идентификации целей. Это описывается рассеянием Рэлея , эффектом, который создает голубое небо Земли и красные закаты . Когда две шкалы длины сопоставимы, могут быть резонансы. Ранние радары использовали очень длинные волны, которые были больше, чем цели, и, таким образом, получали нечеткий сигнал, тогда как многие современные системы используют более короткие волны (несколько сантиметров или меньше), которые могут отображать объекты размером с буханку хлеба.

Короткие радиоволны отражаются от изгибов и углов так же, как отблеск от закругленного стекла. У наиболее отражающих целей для коротких волн угол между отражающими поверхностями составляет 90 ° . Уголковый отражатель состоит из трех плоских поверхностей , отвечающих как внутренний угол коробки. Структура будет отражать волны, входящие в ее отверстие, прямо обратно к источнику. Они обычно используются в качестве радарных отражателей, чтобы облегчить обнаружение объектов, которые иначе трудно обнаружить. Например, угловые отражатели на лодках делают их более заметными, чтобы избежать столкновения или во время спасательной операции. По тем же причинам объекты, предназначенные для избежания обнаружения, не будут иметь внутренних углов или поверхностей и краев, перпендикулярных вероятным направлениям обнаружения, что приводит к "странному" виду.самолет-невидимка . Эти меры предосторожности не устраняют полностью отражение из-за дифракции , особенно на более длинных волнах. Длинные полуволновые провода или полоски проводящего материала, такого как полова , обладают высокой отражающей способностью, но не направляют рассеянную энергию обратно к источнику. Степень, в которой объект отражает или рассеивает радиоволны, называется его радиолокационным поперечным сечением .

Уравнение дальности действия радара [ править ]

Мощность P _r, возвращающаяся к приемной антенне, определяется уравнением:

${\ Displaystyle P_ {r} = {\ frac {P_ {t} G_ {t} A_ {r} \ sigma F ^ {4}} {{(4 \ pi)} ^ {2} R_ {t} ^ { 2} R_ {r} ^ {2}}}}$(P𝓇 = PtGtAroF ^ 4 более 4pi ^ 2 R ^ 2t R ^ 2𝓇

куда

• P _t = мощность передатчика
• G _t = усиление передающей антенны
• A _r = эффективная апертура (площадь) приемной антенны; это также можно выразить как , где${\ displaystyle {G_ {r} \ lambda ^ {2}} \ over {4 \ pi}}$

• ${\ displaystyle \ lambda}$ = переданная длина волны
• G _r = усиление приемной антенны ^[37]

• σ = радиолокационное сечение или коэффициент рассеяния цели
• F = коэффициент распространения диаграммы направленности
• R _t = расстояние от передатчика до цели
• R _r = расстояние от цели до приемника.

В общем случае, когда передатчик и приемник находятся в одном месте, R _t = R _r и член R _t ² R _r ² может быть заменен на R ⁴ , где R - дальность действия. Это дает:

${\ Displaystyle P_ {r} = {{P_ {t} G_ {t} A_ {r} \ sigma F ^ {4}} \ over {{(4 \ pi)} ^ {2} R ^ {4}} }.}$

Это показывает, что принимаемая мощность уменьшается в четвертой степени диапазона, что означает, что принимаемая мощность от удаленных целей относительно очень мала.

Дополнительная фильтрация и интеграция импульсов немного изменяют уравнение радара для характеристик импульсно-доплеровского радара , что может использоваться для увеличения дальности обнаружения и уменьшения мощности передачи.

Вышеприведенное уравнение с F = 1 является упрощением для передачи в вакууме без помех. Коэффициент распространения учитывает эффекты многолучевого распространения и затенения и зависит от деталей окружающей среды. В реальной ситуации также следует учитывать эффекты потерь .

Эффект Доплера [ править ]

Сдвиг частоты вызван движением, которое изменяет количество длин волн между отражателем и радаром. Это может ухудшить или улучшить характеристики радара в зависимости от того, как это влияет на процесс обнаружения. Например, индикация движущейся цели может взаимодействовать с доплеровским режимом для подавления сигнала при определенных лучевых скоростях, что ухудшает характеристики.

Радиолокационные системы морского базирования, полуактивные радиолокационные системы самонаведения , активные радиолокационные системы самонаведения , метеорологические радиолокаторы , военные самолеты и радиолокационная астрономия полагаются на эффект Доплера для улучшения характеристик. Это дает информацию о скорости цели в процессе обнаружения. Это также позволяет обнаруживать небольшие объекты в среде, содержащей гораздо более крупные близлежащие медленно движущиеся объекты.

Доплеровский сдвиг зависит от того, активна или пассивна конфигурация радара. Активный радар передает сигнал, который отражается обратно в приемник. Пассивный радар зависит от объекта, отправляющего сигнал приемнику.

Доплеровский сдвиг частоты для активного радара выглядит следующим образом, где - доплеровская частота, - частота передачи, - лучевая скорость и - скорость света: ^[38]${\ displaystyle F_ {D}}$${\ displaystyle F_ {T}}$${\ displaystyle V_ {R}}$${\ displaystyle C}$

${\ displaystyle F_ {D} = 2 \ times F_ {T} \ times \ left ({\ frac {V_ {R}} {C}} \ right)}$.

Пассивный радар применим для средств электронного противодействия и радиоастрономии следующим образом:

${\ Displaystyle F_ {D} = F_ {T} \ times \ left ({\ frac {V_ {R}} {C}} \ right)}$.

Важна только радиальная составляющая скорости. Когда отражатель движется под прямым углом к ​​лучу радара, он не имеет относительной скорости. Транспортные средства и погода, движущиеся параллельно лучу радара, производят максимальный сдвиг доплеровской частоты.

Когда частота передачи ( ) является импульсной, с использованием частоты повторения импульса , полученный частотный спектр будет содержать гармонические частоты выше и ниже на расстоянии . В результате доплеровское измерение является неоднозначным только в том случае, если доплеровский сдвиг частоты меньше половины , называемой частотой Найквиста , поскольку возвращенная частота в противном случае не может отличаться от сдвига гармонической частоты выше или ниже, что требует:${\ displaystyle F_ {T}}$${\ displaystyle F_ {R}}$${\ displaystyle F_ {T}}$${\ displaystyle F_ {R}}$${\ displaystyle F_ {R}}$

${\ displaystyle | F_ {D} | <{\ frac {F_ {R}} {2}}}$

Или при замене на :${\ displaystyle F_ {D}}$

${\ displaystyle | V_ {R} | <{\ frac {F_ {R} \ times {\ frac {C} {F_ {T}}}} {4}}}$

Например, доплеровский метеорологический радар с частотой следования импульсов 2 кГц и частотой передачи 1 ГГц может надежно измерять погодную скорость максимум до 150 м / с (340 миль в час), поэтому не может надежно определять радиальную скорость самолета, движущегося на 1000 м. / с (2200 миль / ч).

Поляризация [ править ]

Во всех электромагнитных излучениях электрическое поле перпендикулярно направлению распространения, а направление электрического поля является поляризацией волны. Для передаваемого радиолокационного сигнала поляризацией можно управлять для получения различных эффектов. В радарах используются горизонтальная, вертикальная, линейная и круговая поляризация для обнаружения различных типов отражений. Например, круговая поляризация используется для минимизации помех, вызванных дождем. Возвраты линейной поляризации обычно указывают на металлические поверхности. Случайные поляризационные отражения обычно указывают на фрактальную поверхность, такую ​​как камни или грунт, и используются навигационными радарами.

Ограничивающие факторы [ править ]

Путь и дальность луча [ править ]

Эхо высоты над землей Где:   Г: расстояние радиолокационной мишень Ke: 4/3 ае: радиус Земля θe: угол возвышения над горизонтом радара га: высота над уровнем земли рупорного облучателя
${\displaystyle H=\left({\sqrt {r^{2}+(k_{e}a_{e})^{2}+2rk_{e}a_{e}sin(\theta _{e})}}\right)-k_{e}a_{e}+h_{a}}$

Луч радара следует по линейному пути в вакууме, но следует по несколько изогнутому пути в атмосфере из-за изменения показателя преломления воздуха, который называется горизонтом радара . Даже когда луч излучается параллельно земле, луч поднимается над землей, поскольку кривизна Земли опускается за горизонт. Кроме того, сигнал ослабляется средой, через которую проходит луч, и луч рассеивается.

Максимальная дальность действия обычного радара может быть ограничена рядом факторов:

• Прямая видимость, которая зависит от высоты над землей. Без прямой видимости путь луча блокируется.
• Максимальный однозначный диапазон, который определяется частотой следования импульсов . Максимальный однозначный диапазон - это расстояние, на которое импульс может пройти и вернуться до того, как будет выпущен следующий импульс.
• Чувствительность радара и мощность обратного сигнала, вычисленные в уравнении радара. Этот компонент включает такие факторы, как условия окружающей среды и размер (или радиолокационное сечение) цели.

Шум [ править ]

Сигнальный шум - это внутренний источник случайных изменений сигнала, который генерируется всеми электронными компонентами.

Отраженные сигналы быстро уменьшаются с увеличением расстояния, поэтому шум ограничивает дальность действия радара. Минимальный уровень шума и отношение сигнал / шум - это два разных показателя производительности, которые влияют на дальность действия. Отражатели, расположенные слишком далеко, производят слишком слабый сигнал, чтобы превышать минимальный уровень шума, и их невозможно обнаружить. Для обнаружения требуется сигнал, который превышает минимальный уровень шума , по крайней мере, на отношение сигнал / шум .

Шум обычно проявляется в виде случайных изменений, накладываемых на полезный эхо-сигнал, принимаемый приемником радара. Чем ниже мощность полезного сигнала, тем труднее отличить его от шума. Коэффициент шума - это мера шума, производимого приемником по сравнению с идеальным приемником, и его необходимо минимизировать.

Дробовой шум создается электронами, проходящими через неоднородность, которая встречается во всех детекторах. Дробовой шум является доминирующим источником в большинстве приемников. Также будет фликкер-шум, вызванный прохождением электронов через устройства усиления, который уменьшается с помощью гетеродинного усиления. Другая причина использования гетеродинной обработки заключается в том, что для фиксированной дробной полосы пропускания мгновенная полоса пропускания линейно увеличивается по частоте. Это позволяет улучшить разрешение по дальности. Единственным заметным исключением из гетеродинных (понижающих преобразование) радиолокационных систем является сверхширокополосный радар. Здесь один цикл или переходная волна используется аналогично связи СШП, см. Список каналов СШП .

Шум также создается внешними источниками, в первую очередь естественным тепловым излучением фона, окружающего интересующую цель. В современных радиолокационных системах внутренний шум обычно примерно равен или ниже внешнего шума. Исключение составляют случаи, когда радар направлен вверх на чистое небо, где сцена настолько "холодная", что генерирует очень мало теплового шума . Тепловой шум определяется выражением k _B TB , где T - температура, B - ширина полосы (пост согласованный фильтр), а k _B - постоянная Больцмана.. Есть привлекательная интуитивная интерпретация этой связи с помощью радара. Согласованная фильтрация позволяет сжать всю энергию, полученную от цели, в один интервал (будь то интервал, доплеровский интервал, угол возвышения или азимут). На первый взгляд может показаться, что тогда в течение фиксированного промежутка времени можно было бы получить идеальное, безошибочное обнаружение. Для этого нужно просто сжать всю энергию в бесконечно малый отрезок времени. Что ограничивает этот подход в реальном мире, так это то, что время делится произвольно, а текущее - нет. Квант электрической энергии - это электрон, поэтому лучшее, что можно сделать, - это отфильтровать всю энергию в один электрон. Поскольку электрон движется при определенной температуре ( спектр Планка) этот источник шума не может подвергнуться дальнейшей эрозии. Таким образом, мы видим, что на радар, как и на все объекты макромасштабного масштаба, сильно влияет квантовая теория.

Шум является случайным, а сигналы цели - нет. Обработка сигнала может использовать это явление для снижения минимального уровня шума с помощью двух стратегий. Тип интеграции сигнала, используемый для индикации движущейся цели, может уменьшить шум на каждом этапе. Сигнал также может быть разделен между несколькими фильтрами для обработки импульсно-доплеровского сигнала , что снижает минимальный уровень шума за счет количества фильтров. Эти улучшения зависят от согласованности .${\displaystyle {\sqrt {2}}}$

Вмешательство [ править ]

Радиолокационные системы должны преодолевать нежелательные сигналы, чтобы сосредоточиться на интересующих целях. Эти нежелательные сигналы могут исходить от внутренних и внешних источников, как пассивных, так и активных. Способность радиолокационной системы преодолевать эти нежелательные сигналы определяет ее отношение сигнал / шум (SNR). SNR определяется как отношение мощности сигнала к мощности шума в пределах полезного сигнала; он сравнивает уровень полезного целевого сигнала с уровнем фонового шума (атмосферный шум и шум, генерируемый в приемнике). Чем выше SNR системы, тем лучше она отделяет реальные цели от шумовых сигналов.

Беспорядок [ править ]

Под помехами понимаются радиочастотные (RF) эхо-сигналы, возвращаемые от целей, которые не представляют интереса для операторов радаров. К таким целям относятся природные объекты, такие как земля, море, а когда не используются метеорологические цели, осадки (например, дождь, снег или град), песчаные бури , животные (особенно птицы), атмосферная турбулентность и другие атмосферные эффекты, такие как ионосферные отражения, метеорные следы и всплеск града . Беспорядок также может создаваться искусственными объектами, такими как здания, и намеренно радиолокационными средствами противодействия, такими как мякина .

Некоторые помехи также могут быть вызваны длинным волноводом радара между приемопередатчиком радара и антенной. В типичном радаре с индикатором положения в плане (PPI) с вращающейся антенной это обычно будет рассматриваться как «солнце» или «солнечные лучи» в центре дисплея, поскольку приемник реагирует на эхо-сигналы от частиц пыли и ошибочно направленного радиочастотного сигнала в волноводе. . Регулировка времени между отправкой передатчиком импульса и включением каскада приемника обычно уменьшает солнечные лучи, не влияя на точность диапазона, поскольку большинство солнечных лучей вызвано рассеянным передающим импульсом, отраженным до того, как он покинет антенну. Помехи считаются источником пассивных помех, поскольку они появляются только в ответ на сигналы радара, посылаемые радаром.

Беспорядок обнаруживается и нейтрализуется несколькими способами. Беспорядок в промежутках между сканированиями радара обычно статичен; при последующих отсканированных эхосигналах желаемые цели будут казаться движущимися, и все стационарные эхо-сигналы могут быть устранены. Загромождение от моря можно уменьшить, используя горизонтальную поляризацию, в то время как количество дождя уменьшается за счет круговой поляризации (метеорологические радары стремятся к противоположному эффекту и поэтому используют линейную поляризацию для обнаружения осадков). Другие методы пытаются увеличить отношение сигнала к помехам.

Беспорядок движется по ветру или неподвижен. Двумя общими стратегиями улучшения показателей или производительности в беспорядочной среде являются:

• Индикация движущейся цели, которая объединяет последовательные импульсы и
• Доплеровская обработка, которая использует фильтры для отделения помех от желательных сигналов.

Наиболее эффективным методом уменьшения помех является импульсный доплеровский радар . Доплер разделяет помехи от самолетов и космических аппаратов с помощью частотного спектра , поэтому отдельные сигналы можно отделить от нескольких отражателей, расположенных в одном объеме, с помощью разницы скоростей. Для этого требуется когерентный передатчик. В другом методе используется индикатор движущейся цели, который вычитает принимаемый сигнал из двух последовательных импульсов, используя фазу для уменьшения сигналов от медленно движущихся объектов. Это может быть адаптировано для систем, в которых отсутствует когерентный передатчик, таких как радар с амплитудно-импульсной модуляцией во временной области .

Постоянная частота ложных тревог , разновидность автоматической регулировки усиления (AGC), - это метод, основанный на возврате помех, намного превышающем количество эхо-сигналов от интересующих целей. Усиление приемника автоматически регулируется для поддержания постоянного уровня видимых помех. Хотя это не помогает обнаруживать цели, замаскированные более сильными окружающими помехами, это помогает различать сильные источники целей. В прошлом АРУ радара управлялись электроникой и влияли на усиление всего приемника радара. По мере развития радаров AGC стала управляться с помощью программного обеспечения и влиять на усиление с большей детализацией в конкретных ячейках обнаружения.

Помехи также могут возникать из-за многолучевого эхо-сигнала от действительных целей, вызванного отражением от земли, атмосферным воздуховодом или ионосферным отражением / преломлением (например, аномальным распространением ). Этот тип беспорядка особенно неприятен, поскольку кажется, что он движется и ведет себя так же, как и другие обычные (точечные) цели, представляющие интерес. В типичном сценарии эхосигнал самолета отражается от земли под землей и воспринимается приемником как идентичная цель ниже правильной. Радар может попытаться объединить цели, сообщая о цели на неправильной высоте или устраняя ее на основании дрожания или физической невозможности. Подавление отскока от местности использует эту реакцию, усиливая радиолокационный сигнал и направляя его вниз.^[39] Эти проблемы можно решить, включив наземную карту окрестностей радара и исключив все эхо-сигналы, которые, по-видимому, возникают под землей или выше определенной высоты. Моноимпульс можно улучшить, изменив алгоритм высоты, используемый при малой высоте. В более новом радиолокационном оборудовании для управления воздушным движением используются алгоритмы для определения ложных целей путем сравнения текущих импульсов, отраженных от соседних, а также для расчета вероятностей возврата.

Джемминг [ править ]

Под радиолокационными помехами понимаются радиочастотные сигналы, исходящие от источников за пределами радиолокатора, которые передаются на частоте радиолокатора и тем самым маскируют интересующие цели. Помехи могут быть преднамеренными, как в случае с тактикой радиоэлектронной борьбы , или непреднамеренными, как при использовании дружественными силами оборудования, которое передает с использованием того же диапазона частот. Глушение считается активным источником помех, поскольку оно инициируется элементами за пределами радара и, как правило, не связано с сигналами радара.

Глушение является проблематичным для радара, поскольку сигнал глушения должен проходить только в одну сторону (от генератора помех до приемника радара), тогда как эхо-сигналы радара распространяются в двух направлениях (радар-цель-радар) и, следовательно, их мощность значительно снижается к моменту возвращения. к приемнику радара в соответствии с законом обратных квадратов . Таким образом, глушители могут быть гораздо менее мощными, чем их заглушенные радары, и при этом эффективно маскировать цели на линии видимости от источника помех до радара ( заглушка в основном лепестке ). Глушители имеют дополнительный эффект воздействия на радары вдоль других линий обзора через боковые лепестки приемника радара ( глушение боковых лепестков ).

Помехи в главном лепестке обычно можно уменьшить только за счет сужения телесного угла главного лепестка и не могут быть полностью устранены при прямом столкновении с источником помех, который использует ту же частоту и поляризацию, что и радар. Заглушение боковых лепестков можно преодолеть за счет уменьшения боковых лепестков приема в конструкции антенны радара и использования всенаправленной антенны для обнаружения и игнорирования сигналов, не являющихся основными лепестками. Другими методами защиты от помех являются скачкообразная перестройка частоты и поляризация .

Обработка радиолокационных сигналов [ править ]

Измерение расстояния [ править ]

Время перехода [ править ]

Один из способов измерения расстояния основан на времени пролета : передать короткий импульс радиосигнала (электромагнитного излучения) и измерить время, необходимое для возврата отражения. Расстояние составляет половину времени прохождения туда и обратно, умноженное на скорость сигнала. Фактор, равный половине, обусловлен тем, что сигнал должен пройти к объекту и вернуться обратно. Поскольку радиоволны движутся со скоростью светаДля точного измерения расстояния требуется высокоскоростная электроника. В большинстве случаев приемник не обнаруживает возврат во время передачи сигнала. Благодаря использованию дуплексера радар переключается между передачей и приемом с заданной скоростью. Подобный эффект также накладывает максимальный диапазон. Для увеличения дальности следует использовать более длительные промежутки времени между импульсами, называемые временем повторения импульсов или его обратной частотой повторения импульсов.

Эти два эффекта имеют тенденцию противоречить друг другу, и нелегко совместить в одном радаре хорошие ближние и большие дальности. Это связано с тем, что короткие импульсы, необходимые для хорошего радиовещания с минимальной дальностью, имеют меньшую общую энергию, что значительно снижает отдачу и затрудняет обнаружение цели. Это можно компенсировать использованием большего количества импульсов, но это сократит максимальный диапазон. Таким образом, каждый радар использует определенный тип сигнала. Радары дальнего действия, как правило, используют длинные импульсы с большими задержками между ними, а радары ближнего действия используют меньшие импульсы с меньшим временем между ними. По мере совершенствования электроники многие радары теперь могут изменять частоту повторения импульсов, тем самым изменяя их дальность действия. Новейшие радары излучают два импульса в одной ячейке, один на малой дальности (около 10 км (6.2 мили)) и отдельный сигнал для больших расстояний (около 100 км (62 миль)).

Расстояние разрешение и характеристики принимаемого сигнала по сравнению с шумом , зависят от формы импульса. Импульс часто модулируется для достижения лучшей производительности с использованием метода, известного как сжатие импульса .

Расстояние также можно измерить как функцию времени. Радар мили это время, необходимое для радиолокационного импульса на проезд одной морской мили , отражаются от цели, и возвращение к радиолокационной антенны. Поскольку морская миля определяется как 1852 м, то деление этого расстояния на скорость света (299 792 458 м / с) и последующее умножение результата на 2 дает результат длительностью 12,36 мкс.

Частотная модуляция [ править ]

Другая форма дальномера основана на частотной модуляции. Сравнение частот между двумя сигналами значительно более точное, даже с более старой электроникой, чем синхронизация сигнала. Измеряя частоту возвращаемого сигнала и сравнивая ее с исходной, можно легко измерить разницу.

Этот метод может использоваться в радарах непрерывного действия и часто используется в авиационных радиолокационных высотомерах . В этих системах "несущий" радиолокационный сигнал модулируется по частоте предсказуемым образом, обычно изменяясь вверх и вниз с синусоидальной или пилообразной диаграммой направленности на звуковых частотах. Затем сигнал отправляется от одной антенны и принимается другой, обычно расположенной в нижней части самолета, и сигнал можно непрерывно сравнивать с помощью простого модулятора частоты биений, который производит тон звуковой частоты из возвращенного сигнала и части передаваемый сигнал.

Поскольку частота сигнала меняется, к тому времени, когда сигнал возвращается на самолет, частота передачи изменится. Сдвиг частоты используется для измерения расстояния.

Индекс модуляции принимаемого сигнала пропорционален временной задержке между радаром и отражателем. Сдвиг частоты увеличивается с увеличением задержки по времени. Сдвиг частоты прямо пропорционален пройденному расстоянию. Это расстояние может отображаться на приборе, а также может быть доступно через транспондер . Эта обработка сигнала аналогична той, которая используется в доплеровском радаре обнаружения скорости. Примеры систем, использующих этот подход: AZUSA , MISTRAM и UDOP .

Еще одно преимущество заключается в том, что радар может эффективно работать на относительно низких частотах. Это было важно на раннем этапе развития этого типа, когда генерация высокочастотного сигнала была сложной или дорогой.

Наземный радар использует маломощные FM-сигналы, которые покрывают больший частотный диапазон. Множественные отражения анализируются математически на предмет изменения рисунка за несколько проходов, создавая компьютеризированное синтетическое изображение. Используются эффекты Доплера, которые позволяют обнаруживать медленно движущиеся объекты, а также в значительной степени устраняют «шум» от поверхностей водоемов.

Измерение скорости [ править ]

Скорость - это изменение расстояния до объекта во времени. Таким образом, существующей системы измерения расстояния в сочетании с объемом памяти, позволяющим определить, где последний раз находилась цель, достаточно для измерения скорости. Одно время память состояла из того, что пользователь делал отметки жирным карандашом на экране радара, а затем вычислял скорость с помощью линейки . Современные радиолокационные системы выполняют аналогичную операцию быстрее и точнее с помощью компьютеров.

Если выходной сигнал передатчика когерентен (синхронизирован по фазе), существует другой эффект, который можно использовать для почти мгновенных измерений скорости (память не требуется), известный как эффект Доплера . Большинство современных радиолокационных систем используют этот принцип в доплеровских радарах и импульсных доплеровских радиолокационных системах ( метеорологические радиолокаторы , военные радиолокаторы). Эффект Доплера может определять только относительную скорость цели по линии визирования от радара до цели. Любая составляющая скорости цели, перпендикулярная линии визирования, не может быть определена с помощью одного только эффекта Доплера, но ее можно определить, отслеживая азимут цели во времени.

Можно сделать доплеровский радар без импульсов, известный как радар непрерывного действия (CW радар), посылая очень чистый сигнал известной частоты. Радиолокатор непрерывного действия идеально подходит для определения радиальной составляющей скорости цели. Радиолокатор CW обычно используется органами управления дорожным движением для быстрого и точного измерения скорости транспортного средства там, где дальность не важна.

При использовании импульсного радара изменение между фазами последовательных возвращений дает расстояние, на которое цель переместилась между импульсами, и, таким образом, ее скорость может быть рассчитана. Другие математические разработки в обработке радиолокационных сигналов включают частотно-временной анализ (Weyl Heisenberg или вейвлет ), а также преобразование чирплетов, которое использует изменение частоты отраженных сигналов от движущихся целей («чириканье»).

Обработка импульсно-доплеровского сигнала [ править ]

Обработка импульсно-доплеровского сигнала включает частотную фильтрацию в процессе обнаружения. Пространство между каждым передаваемым импульсом делится на ячейки диапазона или ворота диапазона. Каждая ячейка фильтруется независимо, так же как процесс, используемый анализатором спектра для отображения различных частот. Каждое различное расстояние дает разный спектр. Эти спектры используются для выполнения процесса обнаружения. Это необходимо для достижения приемлемых характеристик в неблагоприятных условиях, включая погодные условия, местность и средства электронного противодействия.

Основная цель - измерить как амплитуду, так и частоту совокупного отраженного сигнала с разных расстояний. Это используется с метеорологическим радаром для измерения радиальной скорости ветра и количества осадков в разных объемах воздуха. Это связано с компьютерными системами для создания электронной карты погоды в реальном времени. Безопасность воздушного судна зависит от постоянного доступа к точной метеорологической информации, которая используется для предотвращения травм и несчастных случаев. Метеорологический радар использует низкий PRF. Требования к согласованности не такие строгие, как для военных систем, потому что отдельные сигналы обычно не нужно разделять. Требуется менее сложная фильтрация, и обработка неоднозначности дальности обычно не требуется для метеорологических радиолокаторов по сравнению с военными радиолокаторами, предназначенными для отслеживания воздушных транспортных средств.

Альтернативная цель - возможность « смотреть вниз / сбивать », необходимая для повышения живучести военного воздушного боя. Импульсный доплер также используется для наземных обзорных радаров, необходимых для защиты персонала и транспортных средств. ^{[40] [41]} Обработка импульсно-доплеровского сигнала увеличивает максимальное расстояние обнаружения за счет меньшего количества излучения в непосредственной близости от пилотов самолетов, персонала корабля, пехоты и артиллерии. Отражения от местности, воды и погода производят сигналы гораздо больше , чем самолетов и ракет, что позволяет быстро движущихся транспортных средств , чтобы скрыть , используя бреющий полёт летящих техники и технологии Stealthчтобы избежать обнаружения, пока машина нападения не окажется слишком близко, чтобы ее уничтожить. Обработка импульсно-доплеровского сигнала включает более сложную электронную фильтрацию, которая надежно устраняет этот вид слабости. Это требует использования средней частоты следования импульсов с фазово-когерентным оборудованием, которое имеет большой динамический диапазон. Военные приложения требуют среднего PRF, который предотвращает непосредственное определение дальности , и требуется обработка разрешения неоднозначности диапазона для определения истинного диапазона всех отраженных сигналов. Радиальное движение обычно связано с доплеровской частотой, чтобы произвести сигнал захвата, который не может быть произведен сигналами радиолокационных помех. Обработка импульсно-доплеровского сигнала также производит звуковые сигналы, которые можно использовать для идентификации угрозы. ^[40]

Уменьшение интерференционных эффектов [ править ]

Обработка сигналов используется в радиолокационных системах для уменьшения радиолокационных помех . Методы обработки сигналов включают в себя индикацию движущихся целей , обработку импульсно-доплеровского сигнала , процессоры обнаружения движущихся целей, корреляцию с целями вторичного обзорного радара , пространственно-временную адаптивную обработку и отслеживание до обнаружения . Постоянная частота ложных тревог и обработка цифровых моделей местности также используются в условиях беспорядка.

Сюжет и извлечение трека [ править ]

Алгоритм отслеживания - это стратегия улучшения характеристик радара. Алгоритмы отслеживания обеспечивают возможность прогнозирования будущего положения нескольких движущихся объектов на основе истории отдельных положений, сообщаемых сенсорными системами.

Историческая информация накапливается и используется для прогнозирования будущего местоположения для использования при управлении воздушным движением, оценке угроз, доктрине боевых систем, прицеливании орудий и наведении ракет. Данные о местоположении накапливаются радарными датчиками в течение нескольких минут.

Есть четыре общих алгоритма отслеживания. ^[42]

• Алгоритм ближайшего соседа
• Вероятностная ассоциация данных
• Отслеживание множественных гипотез
• Интерактивная множественная модель (IMM)

Отраженные радиолокационные видеосигналы от самолета могут быть подвергнуты процессу извлечения графика, при котором паразитные и мешающие сигналы отбрасываются. Последовательность целевых возвращений можно отслеживать с помощью устройства, известного как экстрактор участков.

Нерелевантные возвраты в реальном времени можно удалить из отображаемой информации и отобразить один график. В некоторых радиолокационных системах или, альтернативно, в системе управления и контроля, к которой подключен радар, радиолокационный трекер используется для связывания последовательности участков, принадлежащих отдельным целям, и оценки направлений и скорости целей.

Инженерное дело [ править ]

Компоненты радара:

• Передатчик , который генерирует радиосигнал с генератором , таким как клистрона или магнетрона и управления его длительности с помощью модулятора .
• Волновод , который связывает передатчик и антенну.
• Дуплексер , который служит в качестве переключателя между антенной и передатчиком или приемником для сигнала , когда антенна используется в обоих случаях.
• Приемник . Зная форму желаемого принимаемого сигнала (импульса), можно разработать оптимальный приемник с использованием согласованного фильтра .
• Процессор дисплея для создания сигналов для удобочитаемых устройств вывода .
• Электронный блок, который управляет всеми этими устройствами и антенной для выполнения сканирования радара, заказанного программным обеспечением.
• Ссылка на устройства и дисплеи конечных пользователей.

Конструкция антенны [ править ]

Радиосигналы, транслируемые одной антенной, будут распространяться во всех направлениях, и точно так же одна антенна будет принимать сигналы одинаково со всех сторон. Это оставляет радару проблему определения местоположения целевого объекта.

Ранние системы имели тенденцию использовать всенаправленные широковещательные антенны с направленными приемными антеннами, которые были направлены в разные стороны. Например, первая развернутая система, Chain Home, для приема использовала две прямые антенны, расположенные под прямым углом , каждая на отдельном дисплее. Максимальный возврат будет обнаружен с помощью антенны, расположенной под прямым углом к ​​цели, а минимальный - с антенной, направленной прямо на нее (конец включен). Оператор мог определять направление на цель, вращая антенну так, чтобы на одном дисплее отображался максимум, а на другом - минимум. Одним из серьезных ограничений этого типа решения является то, что широковещательная передача отправляется во всех направлениях, поэтому количество энергии в исследуемом направлении является небольшой частью.из переданного. Чтобы получить разумную мощность на «цель», передающая антенна также должна быть направленной.

Параболический отражатель [ править ]

Более современные системы используют управляемую параболическую «тарелку» для создания плотного радиовещательного луча, обычно используя ту же тарелку, что и приемник. Такие системы часто объединяют две радиолокационные частоты в одной антенне, чтобы обеспечить автоматическое управление или блокировку радара .

Параболические отражатели могут быть либо симметричными параболами, либо испорченными параболами: симметричные параболические антенны создают узкий «карандашный» луч как по оси X, так и по оси Y и, следовательно, имеют более высокое усиление. NEXRAD импульсно-доплеровскогоМетеорологический радар использует симметричную антенну для выполнения подробного объемного сканирования атмосферы. Испорченные параболические антенны дают узкий луч в одном измерении и относительно широкий луч в другом. Эта функция полезна, если обнаружение цели в широком диапазоне углов более важно, чем местоположение цели в трех измерениях. Большинство двухмерных радаров наблюдения используют испорченную параболическую антенну с узкой азимутальной шириной луча и широкой вертикальной шириной луча. Такая конфигурация луча позволяет оператору радара обнаруживать воздушное судно по определенному азимуту, но на неопределенной высоте. И наоборот, в так называемых «узловых» радарах для определения высоты используется антенна с узкой вертикальной шириной луча и широкой азимутальной шириной луча для обнаружения самолета на определенной высоте, но с низкой азимутальной точностью.

Типы сканирования [ править ]

• Первичное сканирование: метод сканирования, при котором основная антенна перемещается для создания сканирующего луча, примеры включают круговое сканирование, секторное сканирование и т. Д.
• Вторичное сканирование: метод сканирования, при котором подача антенны перемещается для получения сканирующего луча, примеры включают коническое сканирование, однонаправленное секторное сканирование, переключение лепестков и т. Д.
• Сканирование Палмера: метод сканирования, который создает сканирующий луч за счет перемещения основной антенны и ее источника. Сканирование Палмера - это комбинация первичного и вторичного сканирования.
• Коническое сканирование : луч радара вращается по маленькому кругу вокруг оси визирования, которая направлена ​​на цель.

Щелевой волновод [ править ]

Применяемый аналогично параболическому отражателю, щелевой волновод механически перемещается для сканирования и особенно подходит для систем сканирования поверхности без отслеживания, где вертикальная диаграмма может оставаться постоянной. Из-за более низкой стоимости и меньшего воздействия ветра в радарах наблюдения на борту судов, аэропортов и гавани теперь используется этот подход вместо параболической антенны.

Фазированная антенная решетка [ править ]

Другой метод управления используется в РЛС с фазированной антенной решеткой.

Антенны с фазированной решеткой состоят из равномерно расположенных одинаковых антенных элементов, таких как антенны или ряды щелевого волновода. Каждый антенный элемент или группа антенных элементов включает в себя дискретный фазовый сдвиг, который создает фазовый градиент по решетке. Например, элементы массива, создающие фазовый сдвиг на 5 градусов для каждой длины волны на лицевой стороне массива, будут давать луч, направленный на 5 градусов от центральной линии перпендикулярно лицевой стороне массива. Сигналы, идущие по этому лучу, будут усилены. Сдвиг сигналов от этого луча будет отменен. Величина усиления - это усиление антенны . Величина отмены - это подавление боковых лепестков. ^[43]

Радары с фазированной антенной решеткой использовались с самых первых лет существования радаров во время Второй мировой войны ( радар Маммута ), но ограничения электронного устройства привели к плохой работе. Радары с фазированной антенной решеткой первоначально использовались для противоракетной обороны (см., Например, программу Safeguard ). Они являются сердцем корабельной боевой системы Aegis и ракетной системы Patriot . Массивная избыточность, связанная с наличием большого количества элементов массива, увеличивает надежность за счет постепенного снижения производительности, которое происходит при выходе из строя отдельных фазовых элементов. В меньшей степени радары с фазированной антенной решеткой использовались для наблюдения за погодой. . С 2017 года NOAA планирует в течение 10 лет создать национальную сеть многофункциональных радаров с фазированной антенной решеткой на всей территории Соединенных Штатов для метеорологических исследований и мониторинга полетов. ^[44]

Антенны с фазированной решеткой могут быть построены в соответствии с конкретными формами, такими как ракеты, машины поддержки пехоты, корабли и самолеты.

Поскольку цена на электронику упала, радары с фазированной антенной решеткой стали более распространенными. Практически все современные военные радиолокационные системы основаны на фазированных решетках, где небольшие дополнительные затраты компенсируются повышенной надежностью системы без движущихся частей. Традиционные конструкции с подвижными антеннами по-прежнему широко используются в тех ролях, где стоимость является значительным фактором, таких как системы наблюдения за воздушным движением и аналогичные системы.

Радиолокаторы с фазированной антенной решеткой ценны для использования в самолетах, поскольку они могут отслеживать несколько целей. Первым самолетом, в котором использовалась РЛС с фазированной антенной решеткой, был B-1B Lancer . Первым истребителем, в котором использовалась РЛС с фазированной решеткой, стал МиГ-31 Микоян . РЛС SBI-16 Zaslon с пассивной электронно-сканируемой антенной решеткой МиГ-31М считалась самой мощной в мире истребительной радиолокационной станцией ^[45], пока на Lockheed Martin F-22 Raptor не была представлена антенная решетка с электронным сканированием AN / APG-77 Active .

Методы интерферометрии с фазированной антенной решеткой или синтеза апертуры с использованием массива отдельных антенн, фазированных в единую эффективную апертуру, не типичны для радиолокационных приложений, хотя они широко используются в радиоастрономии . Из-за проклятия утонения решетки такие решетки с множеством апертур при использовании в передатчиках приводят к узким лучам за счет уменьшения общей мощности, передаваемой на цель. В принципе, такие методы могут повысить пространственное разрешение, но меньшая мощность означает, что это обычно неэффективно.

С другой стороны, синтез апертуры путем последующей обработки данных движения от одного движущегося источника широко используется в космических и бортовых радиолокационных системах .

Полосы частот [ править ]

Традиционные названия групп возникли как кодовые названия во время Второй мировой войны и до сих пор используются военными и авиационными во всем мире. Они были приняты в США Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, а на международном уровне - Международным союзом электросвязи . В большинстве стран есть дополнительные правила для контроля того, какие части каждого диапазона доступны для гражданского или военного использования.

Другие пользователи радиочастотного спектра, такие как отрасли радиовещания и электронного противодействия , заменили традиционные военные обозначения своими собственными системами.

Модуляторы [ править ]

Модуляторы обеспечивают форму волны RF-импульса. Есть две разные конструкции модулятора радара:

• Переключатель высокого напряжения для генераторов мощности с некогерентной манипуляцией ^[46] Эти модуляторы состоят из генератора импульсов высокого напряжения, сформированного из источника высокого напряжения, цепи формирования импульсов и переключателя высокого напряжения, такого как тиратрон . Они генерируют короткие импульсы энергии для питания, например, магнетрона , вакуумной трубки особого типа, которая преобразует постоянный ток (обычно импульсный) в микроволны. Эта технология известна как импульсная мощность . Таким образом, передаваемый импульс радиочастотного излучения сохраняется определенной и обычно очень короткой продолжительности.
• Гибридные смесители ^[47] питаются от генератора сигналов и возбудителя для сложной, но когерентной формы сигнала. Эта форма волны может генерироваться входными сигналами малой мощности / низкого напряжения. В этом случае передатчик радара должен быть усилителем мощности, например клистроном или твердотельным передатчиком. Таким образом, передаваемый импульс модулируется внутри импульса, и приемник радара должен использовать методы сжатия импульсов .

Охлаждающая жидкость [ править ]

Когерентные СВЧ-усилители, работающие на выходе СВЧ мощностью более 1000 Вт, такие как лампы бегущей волны и клистроны , требуют жидкого хладагента. Электронный луч должен содержать в 5-10 раз больше мощности, чем выходная микроволновая печь, которая может производить достаточно тепла для образования плазмы. Эта плазма течет от коллектора к катоду. Та же магнитная фокусировка, которая направляет электронный луч, заставляет плазму попадать на путь электронного луча, но течет в противоположном направлении. Это вводит модуляцию FM, которая ухудшает характеристики Доплера. Чтобы предотвратить это, требуется жидкий хладагент с минимальным давлением и скоростью потока, а деионизированная вода обычно используется в большинстве высокомощных наземных радиолокационных систем, использующих доплеровскую обработку. ^[48]

Куланол ( сложный эфир силиката ) использовался в нескольких военных радарах в 1970-х годах. Однако он гигроскопичен , что приводит к гидролизу и образованию легковоспламеняющегося спирта. Потеря самолета ВМС США в 1978 году была связана с возгоранием силикатного эфира. ^[49] Куланол также дорог и токсичен. Военно-морской флот США учредил программу под названием « Предотвращение загрязнения» (P2) для устранения или уменьшения объема и токсичности отходов, выбросов в атмосферу и сбросов сточных вод. Из-за этого Coolanol сегодня используется реже.

Правила [ править ]

Радар (также: RADAR ) определяется статьей 1.100 из Международного союза электросвязи (МСЭ) МСЭ Регламент радиосвязи (РР) , как: ^[50]

Система радиоопределения, основанная на сравнении опорных сигналов с радиосигналами, отраженными или ретранслированными из места, которое необходимо определить. Каждая система радиоопределения классифицируется той службой радиосвязи, в которой она работает постоянно или временно. Типичными видами использования радаров являются первичный радар и вторичный радар , они могут работать в радиолокационной службе или в радиолокационной спутниковой службе .

См. Также [ править ]

• Радар слежения за ландшафтом
• Радиолокационное изображение
• Радарная навигация
• Закон обратных квадратов
• Волновой радар
• Характеристики радиолокационного сигнала
• Импульсный доплеровский радар
• Акронимы и сокращения в авионике

Определения

• Моноимпульс сравнения амплитуд
• Постоянный уровень ложных тревог
• Контроль времени чувствительности

Заявление

• Бесконтактный взрыватель

Аппаратное обеспечение

• Полостной магнетрон
• Усилитель с перекрещенными полями
• Арсенид галлия
• Клистрона
• Технология Omniview
• Детали радиолокационной инженерии
• Радиолокационная вышка
• Радио
• Лампа бегущей волны

Подобные методы обнаружения и определения дальности

• Лидар
• ЛОРАН
• Сонар

Исторические радары

• Список радаров
• Chain Home и Chain Home Low
• Вюрцбургский радар
• Радар Hohentwiel
• H2S радар
• РЛС СКР-270

Примечания и ссылки [ править ]

Библиография [ править ]

Этот раздел для дальнейшего чтения может содержать неуместные или чрезмерные предложения, которые могут не соответствовать рекомендациям Википедии . Пожалуйста , убедитесь , что только разумное количество из сбалансированных , актуальные , надежных и известных дальнейших предложений чтений приведены; удаление менее актуальных или повторяющихся публикаций с той же точкой зрения, где это необходимо. Рассмотрите возможность использования соответствующих текстов в качестве встроенных источников или создания отдельной библиографической статьи . ( Ноябрь 2014 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Ссылки [ править ]

• Барретт, Дик: « Все, что вы когда-либо хотели знать о британских радарах ПВО ». Радарные страницы. (История и подробности различных британских радарных систем)
• Будери, " История телефона: история радаров ". Privateline.com. (Анекдотический рассказ о перевозке первого в мире магнетрона с резонатором большой мощности из Великобритании в США во время Второй мировой войны.)
• Ekco Radar WW2 Shadow Factory Секретная разработка британских радаров.
• ES310 « Введение в военно-морское вооружение ». (Раздел "Основы радиолокации")
• Холлманн, Мартин, « Семейное древо радара ». Радарный мир .
• Пенли, Билл и Джонатан Пенли, « Ранняя история радаров - введение ». 2002 г.
• Pub 1310 Radar Navigation and Maneuvering Board Manual , National Imagery and Mapping Agency, Bethesda, MD 2001 (публикация правительства США «... предназначена для использования в первую очередь в качестве учебного пособия в школах мореплавания, а также военно-морским и торговым флотом»).
• Уэсли Стаут, 1946 г. « Радар - великий детектив » Ранняя разработка и производство Chrysler Corp. во время Второй мировой войны.
• Сордз, Шон С., "Техническая история появления радара", IEE History of Technology Series , Vol. 6, Лондон: Питер Перегринус, 1986

Общие [ править ]

• Рег Батт (1991). Радарная армия: победа в войне радиоволн . ISBN 978-0-7090-4508-3.
• Э. Г. Боуэн (1 января 1998 г.). Радарные дни . Тейлор и Фрэнсис. ISBN 978-0-7503-0586-0.
• Майкл Брэгг (1 мая 2002 г.). RDF1: Определение местоположения самолетов с помощью радио методов 1935–1945 гг . Издательство Twayne. ISBN 978-0-9531544-0-1.
• Луи Браун (1999). Радиолокационная история Второй мировой войны: технические и военные императивы . Тейлор и Фрэнсис. ISBN 978-0-7503-0659-1.
• Роберт Будери (1996). Изобретение, изменившее мир: как небольшая группа пионеров радаров выиграла Вторую мировую войну и начала технологическую революцию . ISBN 978-0-684-81021-8.
• Берч, Дэвид Ф., Радар для моряков , McGraw Hill, 2005, ISBN 978-0-07-139867-1 . 
• Ян Гоулт (2011). Секретное место: свидетель рождения радара и его послевоенного влияния . History Press. ISBN 978-0-7524-5776-5.
• Питер С. Холл (март 1991 г.). Радар . Потомак Книги Inc. ISBN 978-0-08-037711-7.
• Дерек Хоуз; Naval Radar Trust (февраль 1993 г.). Радар в море: королевский флот во Второй мировой войне . Издательство Военно-морского института. ISBN 978-1-55750-704-4.
• Р. В. Джонс (август 1998 г.). Самая секретная война . Вордсворт Издания Лтд. ISBN 978-1-85326-699-7.
• Кайзер, Джеральд, глава 10 в «Дружественном руководстве по вейвлетам», Биркхаузер, Бостон, 1994.
• Колин Лэтэм; Энн Стоббс (январь 1997 г.). Радар: военное чудо . ISBN Sutton Pub Ltd. 978-0-7509-1643-1.
• Франсуа Ле Шевалье (2002). Принципы обработки сигналов радаров и гидролокаторов . Издательство Artech House. ISBN 978-1-58053-338-6.
• Дэвид Притчард (август 1989 г.). Радарная война: пионерское достижение Германии 1904-45 . Харперколлины. ISBN 978-1-85260-246-8.
• Меррил Иван Скольник (1 декабря 1980 г.). Введение в радиолокационные системы . ISBN 978-0-07-066572-9.
• Меррилл Иван Скольник (1990). Справочник по радарам . McGraw-Hill Professional. ISBN 978-0-07-057913-2.
• Джордж Стимсон (1998). Введение в бортовую РЛС . SciTech Publishing. ISBN 978-1-891121-01-2.
• Янгхазбенд, Эйлин. Не обычная жизнь. Как меняющиеся времена привнесли исторические события в мою жизнь , Кардиффский центр непрерывного обучения, Кардифф, 2009 г., ISBN 978-0-9561156-9-0 (на страницах 36–67 описан опыт использования радарного плоттера WAAF во время Второй мировой войны). 
• Янгхазбенд, Эйлин. Война одной женщины . Кардифф. Candy Jar Books. 2011. ISBN 978-0-9566826-2-8. 
• Дэвид Циммерман (февраль 2001 г.). Щит Британии: радар и разгром люфтваффе . ISBN Sutton Pub Ltd. 978-0-7509-1799-5.

Техническое чтение [ править ]

• Скольник М.И. Радарный справочник. Макгроу-Хилл, 1970.
• Надав Леванон и Эли Мозесон. Радиолокационные сигналы. Вайли. ком, 2004.
• Хао Хэ, Цзянь Ли и Петре Стойка. Дизайн формы волны для активных систем зондирования: вычислительный подход . Издательство Кембриджского университета, 2012.
• Соломон В. Голомб и Гуан Гун. Дизайн сигнала для хорошей корреляции: для беспроводной связи, криптографии и радара . Издательство Кембриджского университета, 2005.
• М. Солтаналиан. Дизайн сигналов для активного зондирования и связи . Упсальские диссертации факультета науки и технологий (напечатаны Elanders Sverige AB), 2014 г.
• Фульвио Джини, Антонио Де Майо и Ли Паттон, ред. Дизайн и разнообразие форм сигналов для передовых радарных систем. Инженерно-технологический институт, 2012.
• Э. Фишлер, А. Хаймович, Р. Блюм, Д. Чижик, Л. Чимини, Р. Валенсуэла, «MIMO-радар: идея, время которой пришло», Конференция IEEE Radar, 2004.
• Марк Р. Белл, "Теория информации и дизайн радиолокационных сигналов". IEEE Transactions по теории информации, 39.5 (1993): 1578–1597.
• Роберт Колдербанк, С. Ховард и Билл Моран. «Разнообразие форм сигналов при обработке радиолокационных сигналов». Журнал обработки сигналов IEEE, 26.1 (2009): 32–41.

Внешние ссылки [ править ]

Найдите радар в Викисловаре, бесплатном словаре.

Викискладе есть медиафайлы по теме радара .

• Видеокурс Массачусетского технологического института: Введение в радиолокационные системы Набор из 10 видеолекций, разработанный в лаборатории Линкольна для развития понимания радиолокационных систем и технологий.